Лекция 2 Тема 1 — часть 2

Лекция 2. Тема 1 - часть 2. § 6 Дефекты кристаллической решетки Общая классификация дефектов По геометрическим признакам их делят: • точечные (нульмерные) – дефекты, размер которых по всем трем координатным осям сопоставим с размером атома; • линейные (одномерные) - дефекты, размер которых по двум координатным осям сопоставим с размером атома, а в третьем направлении существенно превышает его; • поверхностные или плоские (двумерные) – дефекты, размер которых в одном направлении сравним с размером атома, а в двух других существенно превышает его; • объемные (трехмерные) – дефекты, размер которых во всех трех направлениях существенно превышает размер атома.

1. Точечные дефекты Подразделяют на собственные и несобственные Собственные дефекты – дефекты, обусловленные нарушением в расположении собственных ( «родных» ) атомов. К ним относятся вакансии и межузельные атомы. Несобственные дефекты – дефекты, связанные с наличием чужеродных атомов. К ним относятся атомы внедрения и замещения.

Разные типы точечных дефектов 1 – вакансия; 2 – межузельный атом; 3 – атом внедрения; 4 – атом замещения, размер которого больше размера основного атома; 5 – атом замещения, размер которого меньше размера основного атома.

Точечные дефекты в металлах Собственные, связанные с нарушением расположения своих атомов Несобственные, связанные с наличием чужеродных атомов 1 – вакансии (дефекты Шоттки) 3 – атом внедрения; 4, 5 – атомы замещения 2 –межузельные атомы

Вакансии (дефекты Шоттки) • Наиболее подвижный дефект • Один из механизмов диффузии – вакансионный, путем обмена атома местами с вакансией • Равновесная концентрация вакансий подчиняется экспоненциальному закону: где k – постоянная Больцмана; Ео - энергия образования вакансий. • При температурах вблизи точки плавления равновесная концентрация вакансий может достигать 0, 1 ат. %, т. е. одна вакансия приходится на 1000 атомов.

Влияние точечных дефектов на процессы в материалах • Миграция основных атомов, межузельных атомов и атомов замещения осуществляется по вакансионному механизму – путем обмена местами с вакансией. • Миграция атомов внедрения осуществляется быстрее – т. к. вокруг любого узла кристаллической решетки имеется несколько пустот (пор) и внедренный атом может перескакивать из одной пустоты в другую (по порам). порам • Поэтому вакансии и атомы внедрения оказывают наиболее значительное влияние на протекание различных процессов в материалах, обусловленных диффузией.

Влияние точечных дефектов на свойства материалов • Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку; • Поэтому точечные дефекты оказывают влияние на свойства материалов, зависящие от свойств решетки – т. е. преимущественно на физические свойства; • В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют; • Лишь при больших концентрациях дефектов в облученных металлах понижается пластичность и заметно изменяются другие свойства. Тип дефекта Порядок величины алюминий медь Вакансии мк. Ом. см/ат. % 2, 2 1, 6 Межузельные атомы мк. Ом. см/ат. % 4, 0 2, 5

2. Линейные дефекты • Типичным примером линейных дефектов являются дислокации. • Дислокация – область искажений кристаллической решетки цилиндрического типа - размер искажений в двух направлениях достигает 2 -5 межатомных расстояний, а в третьем направлении существенно превышает межатомное расстояние. • Различают дислокации краевые, винтовые и смешанные.

Краевая дислокация или дислокация скольжения - локализованное искажение решетки, вызванное наличием лишней атомной полуплоскости (экстраплоскости - 2)

Типы краевых дислокаций • В зависимости от положения экстраплоскости различают положительные (экстраплоскость сверху) и отрицательные (снизу) краевые дислокации.

Главной характеристикой дислокации является вектор Бюргерса • Он является мерой искаженности кристаллической решетки, обусловленный присутствием в ней дислокации • Чтобы оценить вектор Бюргерса строят контур Бюргерса. Контуром Бюргерса называется замкнутый контур произвольной формы, построенный в реальном кристалле путем последовательного обхода дефекта (его ядра) против часовой стрелки от атома к атому в совершенной области кристалла. Векторный периметр контура Бюргерса равен вектору Бюргерса. Пример определению вектора Бюргерса показан на рисунке

Схема обхода по контуру Бюргерса b - вектор Бюргерса Отметим, что для краевой дислокации вектор Бюргерса параллелен плоскости сдвига и перпендикулярен экстраплоскости

Вектор Бюргерса краевой дислокации и её энергия • для краевой дислокации вектор Бюргерса b параллелен плоскости сдвига и перпендикулярен экстраплоскости • энергия краевой дислокации где G – модуль сдвига; – коэффициент Пуассона (для металлов ⅓); ro – радиус ядра дислокации (несколько межатомных расстояний) R – расстояние, на которое распространяется упругая деформация от дислокации.

Винтовая дислокация - искажение кристаллической решетки винтового типа

Различают правую и левую винтовые дислокации • Для винтовой дислокации вектор сдвига параллелен линии дислокаций, а экстраплоскость совпадает с плоскостью сдвига.

Энергия винтовой дислокации где G – модуль сдвига; ro – радиус ядра дислокации (несколько межатомных расстояний); R – расстояние, на которое распространяется упругая деформация от дислокации. Сравнив энергии краевой и винтовой дислокаций получим, что энергия краевой дислокации в 1, 5 раза больше.

Смешанная дислокация • В общем случае линия дислокации кривая. Отдельные малые участки этой кривой имеют краевую или винтовую ориентацию, но бόльшая её часть не перпендикулярна и не параллельна вектору сдвига. Такую дислокацию называют дислокацией смешанной ориентации.

Образование дислокаций • Дислокации образуются в процессе кристаллизации металла при схлопывании группы вакансий (вакансионного диска), в процессе пластической деформации, при фазовых превращениях

одна из характеристик материалов плотность дислокаций • макропараметром дислокаций является их длина, поэтому плотность дислокации определяется как отношение суммарной длины дислокаций к объему материала • Единица измерений плотности дислокаций см/см 3=см-2

3. Поверхностные дефекты • или плоские (двумерные) – дефекты, размер которых в одном направлении сравним с размером атома, а в двух других существенно превышает его; • Наиболее распространены границы зерен и субзерен

пояснение к образованию границ зерен

Граница зерна в виде цепочки дислокаций

Сетка границ зерен, видимая под микроскопом

4. Объемные дефекты • (трехмерныe, макроскопические) – дефекты, размер которых во всех трех направлениях существенно превышает размер атома. • К объемным дефектам относят поры (пустоты в материале), трещины и царапины. Не следуют путать поры кристаллической решетки – тетра- и октапоры, с пораминесплошностями в материале.

§ 11 Движение и взаимодействие дислокаций • Скольжение краевой дислокации

Переползание краевой дислокации в результате взаимодействия с вакансией

Переползание краевой дислокации в результате взаимодействия с межузельным атомом

Скольжение винтовой дислокации под действием сжимающих напряжений

Смещение атомов в ядре винтовой дислокации при её скольжении на одно межатомное расстояние

Особенности скольжения винтовой дислокации • При смещении дислокации на одно межатомное расстояние смещаются только атомы в области несовершенства. • Атомы перемещаются только на доли межатомного расстояния. • Атомы смещаются в направлении действующих на них сил, а дислокация в направлении перпендикулярном им.

Двойное поперечное скольжение винтовой дислокации

Движение линии дислокаций